海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥对水稻产量及其构成因素的影响

2022-02-18谢慧敏刘文奇韦国良献李壮林韦善清江立庚

作物杂志 2022年1期

谢慧敏吴可刘文奇韦国良陆献李壮林韦善清梁和江立庚

（1广西大学作物栽培学与耕作学重点实验室，530004，广西南宁；2广西壮族自治区土壤肥料工作站，530007，广西南宁；3广西壮族自治区象州县土壤肥料工作站，545800，广西象州；4广西壮族自治区龙州县农业农村局，532400，广西龙州；5广西壮族自治区岑溪市土壤肥料工作站，543200，广西岑溪）

据统计，我国2019年稻谷年产量达到20 961.4万t，其种植面积占粮食总种植面积的26%，全国有不低于60%的人口以大米为主食[1-2]。2019年，我国农用化肥施用量达到 5403.59万 t，约占全球农用化肥施用量的30%[3]。水稻生产中平均氮肥投入量约180kg/hm2，比世界平均水平高出约75%[4]。磷肥利用率约13%，钾肥约26%，高化肥投入和低利用率导致了大量无法利用的肥料养分流失到自然环境中，对生态环境造成严重影响，如水污染、空气污染和土壤污染等[5-6]。相对于氮和磷元素流失带来的环境问题，钾元素对环境影响较小[7]。肥料资源浪费、经济收益递减和肥料利用率低等问题阻碍了我国水稻产业的可持续发展。化肥与有机肥合理配施能提高肥料利用率，减少养分流失，提高作物产量[8-9]。海藻肥和微生物菌剂是近几年新兴的生物有机肥，其绿色环保，与化肥配合施用，能提高土壤肥力，促进作物对养分的吸收和利用，可创造良好的经济效益和生态效益[10]。因此，开展新型肥料替代部分无机肥及化肥减量研究，对建立新型肥料施用配套技术和科学施用化肥具有重要意义[11]。

近年来，已有许多关于有机肥和新型肥料在水稻上应用的研究。研究[12-13]发现，有机肥与无机肥相结合的施肥模式能够降低环境污染，同时优化土壤微生物的数量和活力，增加土壤养分，进而提高作物生产力。并且，通过改善土壤理化性状、花后干物质积累量和氮代谢，可提高水稻生产力[14]。30%的有机肥（牛粪）与70%的化肥（尿素）配合施用，不仅有利于改善水稻根的形态特征、促进植株生长、提高稻谷产量和品质，同时，对土壤物理性质（容重、孔隙度、含水量）和化学性质都有积极作用[15]。在江苏省进行的一项田间试验[16]显示，与单独施用化肥相比，采用海藻提取物掺混部分化肥的施肥方式可使水稻产量和肥料利用效率提高，有效穗数、穗粒数和结实率等产量构成因素也有所提升，糙米中的氮和磷元素以及秸秆中的钾元素分配率都有显著增加。新型肥料部分替代化肥有利于保护农田生态系统，然而，新型肥料部分替代化肥在水稻上的研究较少。目前，化肥减量主要采用有机肥替代部分化肥的模式，有机肥替代化肥减量的比例不明确，且在不同地区、不同作物和不同种植制度条件下的研究结果不一致，甚至差异较大。广西是双季稻的主产区之一，但针对本地区水稻减量施肥与生物有机肥配施效果的研究，尤其是海藻肥和微生物菌剂等新型肥料部分替代化肥的研究尚未见报道。基于此，本研究在广西双季稻产区进行多点大田联合试验，探讨生物有机肥替代下不同减肥比例对水稻生长及产量的影响，明确不同新型肥料替代部分化肥对水稻产量及其构成因素的影响，为广西双季稻区化肥减施增效以及水稻可持续生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2019年，在广西龙州、象州和岑溪进行水稻早季（3-7月）试验。3个试验点的土壤基础肥力如表1所示。除龙州有效磷含量较低外，其余肥力值处于中等以上水平。试验点属亚热带季风气候，阳光丰富，降水丰沛，冬短夏长，适宜双季稻生长。

表1 试验点土壤肥力状况Table 1 Soil fertility of experimental sites

1.2 试验设计

共设4个施肥处理，分别为常规施肥量（P1）、常规施肥量（包括氮、磷、钾肥）减10%+海藻肥与微生物菌剂（P2）、常规施肥量减20%+海藻肥与微生物菌剂（P3）和常规施肥量减30%+海藻肥与微生物菌剂（P4）。常规施肥量氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）施用量分别为150、45和150kg/hm2。其中，钙镁磷肥在移栽前作基肥一次性施入；50%的尿素和氯化钾在移栽前作基肥施入，30%在移栽后7d作分蘖肥施入，20%在拔节期作穗肥施用。海藻肥和微生物菌剂施用量均为 3kg/hm2，与分蘖肥同时施用。试验水稻品种及各时期施肥量见表2。

表2 各处理的施肥量及3个试验点的水稻品种Table 2 Fertilizer application amount of different treatments and rice varieties in three experiment sites kg/hm2

采用单因素试验，每个处理3次重复，共12个小区。小区面积20.2m2（3.6m×5.6m）。小区间采用土埂覆盖薄膜的方式隔离，防止肥水串渗。早季水稻于3月上旬播种，4月上旬移栽，7月中旬收获。苗龄25d时移栽，每穴移栽2株，行距30cm，株距14cm，每小区12行，每行40穴，每小区960株苗。

海藻肥和微生物菌剂均由青岛海大生物集团公司提供。海藻肥商品名为双藻糖肽―有机水溶肥，淡黄色粉剂，主要成分双海藻多糖≥15%、天然绿藻蛋白肽3%、有机质≥20%、P2O5+K2O≥20%及天然中微量元素；微生物菌剂商品名为双藻菌露200―微生物菌剂，深黄色粉剂，有效活菌数≥200.0亿/g，主要由枯草芽孢杆菌1、侧孢芽孢杆菌1、硅盐芽孢杆菌和冷解糖芽孢杆菌组成，特别添加CaO+MgO≥20%。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤基础肥力依据《土壤农化分析》[17]测定土壤理化性质。采用重铬酸钾容量法―外加热法测定有机碳含量，采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用碱解扩散法测定碱解氮含量，采用紫外分光法测定速效磷含量，采用火焰光度计测定速效钾含量。

1.3.2 干物质积累量于成熟期，选取试验小区长势均匀的一行水稻，取连续20穴植株为调查样本，调查有效穗数，按平均有效穗数取5穴植株地上部。样品用水冲洗干净，分成茎、叶和穗3部分放入烘箱中，105℃杀青30min，80℃烘干至恒重，测定植株地上部干物质重。

1.3.3 产量及其构成因素在成熟期，每个小区调查20穴水稻的有效穗数，取具有代表性的5穴进行考种。用水选法区分饱满粒和空瘪粒，测定千粒重、结实率和穗粒数。收割各小区水稻，用脱粒机脱粒，晒干后鼓风去杂质，称重，再取 100g烘干测含水量，按含水量14%折算产量。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2019软件进行数据整理，采用DPS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥对水稻干物质积累量的影响

由表3可知，在龙州试验点，P3和P4处理的成熟期干物质积累量分别比P1处理增加15.85%和9.95%，P2比P1处理减少6.10%；在象州试验点，成熟期干物质积累量最大的是P1处理，达11 353.58 kg/hm2，P2、P3和 P4处理分别比 P1处理减少1.28%、13.91%和9.28%；在岑溪试验点，成熟期干物质积累量表现为 P2＞P1＞P3＞P4，P2比 P1处理增加 15.81%，P3和 P4处理则比 P1处理减少5.51%和6.36%。方差分析表明，在同一试验点，不同施肥处理水稻成熟期干物质积累量的差异均不显著，由多点联合分析可知，不同处理间水稻成熟期干物质积累量的差异性均不显著，但总体而言，P2比P1处理平均提高6.06%，P3和P4处理较P1处理平均下降3.44%和3.75%。

表3 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥减量下水稻成熟期干物质积累量Table 3 Dry matter accumulation amount of rice at maturity stage under partial substitution of chemical fertilizer for seaweed fertilizer and microbial inoculant kg/hm2

2.2 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥对水稻产量及其构成因素的影响

由表4可知，在龙州试验点，不同施肥处理的千粒重存在显著差异，P2和P4处理分别比P1处理显著降低3.36%和3.57%；与 P1处理相比，P2处理的有效穗数、穗粒数、结实率和收获指数分别增加0.71%、2.32%、2.14%和3.98%，但均无显著性差异；P2、P3和 P4处理分别比 P1处理减产1.75%、3.31%和0.28%，差异不显著。

表4 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥对水稻产量及其构成因素的影响Table 4 Effects of seaweed fertilizer and microbial inoculant partially replacing chemical fertilizer on rice yield and its components

在象州试验点，P2、P3和P4处理的结实率分别比P1处理显著提高18.05%、15.39%和17.17%，但其有效穗数、穗粒数、千粒重、收获指数与P1处理无显著差异；与P1处理相比，P2处理的产量显著提高了7.15%。

在岑溪试验点，P2处理的穗粒数显著高于其他施肥处理，比P1处理提高了10.12%；P2处理的结实率最高，达83.55%，比P1处理高5.61%；与P1处理相比，P2、P3和P4处理的产量分别降低4.69%、7.46%和1.03%。

总体而言，3个试验点的平均产量，P2处理比P1处理提高0.45%，P3和P4处理比P1处理分别下降5.40%和4.08%。

2.3 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥下不同试验点间干物质积累量及产量的比较

由表5可知，象州和岑溪试验点的干物质积累量、有效穗数和产量均显著高于龙州试验点；龙州试验点的结实率、千粒重和收获指数均居于首位。

表5 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥下不同试验点间干物质积累量及产量的比较Table 5 Comparison dry matter accumulation and yield between different experiment sites under partial substitution of seaweed fertilizer and microbial inoculant for chemical fertilizer

2.4 水稻产量与其构成因素的相关性分析

表6显示，稻谷产量与有效穗数呈极显著正相关，与千粒重和收获指数呈极显著负相关；成熟期干物质积累量与穗粒数呈极显著正相关；有效穗数与千粒重和收获指数呈极显著负相关，与结实率呈显著负相关；结实率和千粒重与收获指数呈极显著正相关。

表6 水稻产量与其构成因素的相关性分析Table 6 Correlation analysis between yield and its components of rice

3 讨论

3.1 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥对水稻干物质积累量的影响

干物质积累量是常用作评估水稻高产的生理指标。成熟期干物质积累量与产量的关系密切，随着成熟期物质生产量增加，籽粒获得的光合作用产物比例也随之增加[18]。施肥水平和环境条件等对水稻干物质积累存在显著影响。敖和军等[19]认为，水稻成熟期的干物质积累量与籽粒产量呈正相关关系。沙之敏等[20]认为，有机肥与化肥配施能够明显促进稻谷干物质积累速率，有利于花后同化产物向籽粒输送。胡雅杰等[21]研究指出，在不增加施氮量的前提下，运用改进的氮肥运筹措施，可以提高水稻的干物质积累量和产量。彭玉等[22]研究得出，采用干湿交替灌溉的栽培方式和施用缓/控释肥能提高水稻的干物质量。杨林生等[23]认为，氮肥和钾肥用量分别为150和105～150kg/hm2时有利于水稻干物质累积。本研究的干物质积累量呈现出岑溪＞象州＞龙州的特点，这可能与试验点自身土壤肥力有关，适宜的生态环境条件对水稻干物质积累量有积极影响[19]。龙州试验点的土壤有效磷含量较低，可能使水稻生长中因缺乏磷元素而对植株花后干物质积累造成不利影响[24]。本研究结果表明，龙州、象州和岑溪 3个试验点的平均干物质积累量为 P2处理（常规施肥量减10%+海藻肥和微生物菌剂）最大。其原因可能是这种施肥模式优化了植株吸收和分配营养元素的供应过程，同时也改善了土壤的理化性状，使其更有利于植株吸收养分[25]。

3.2 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥对水稻产量及其构成因素的影响

当前，我国农业生产系统的化肥用量过高，环境健康受到威胁，作物生产力降低，减少化肥投入迫在眉睫。因此，研究化肥减量施用技术、有机肥部分替代部分化肥对优化水稻生产及农业可持续发展具有重要意义。但是，有机肥的速效养分含量较低，肥效作用缓慢，完全替代化肥常常会导致作物产量降低[26]。有研究[27]提出，有机肥和无机肥配施存在一个最佳的施用比例，在减少25%化肥用量的条件下，有机肥氮替代10%化肥氮，水稻产量显著高于常规施肥，是一种降低化肥用量、对环境友好的水稻施肥方式。石鑫蕊等[28]研究指出，化学氮肥192kg/hm2+有机肥氮48kg/hm2的替代比例相比单独施用240kg/hm2的化学氮肥对提高水稻产量、氮肥农学利用率以及光合速率效果更好。水稻产量的形成主要依赖于有效穗数和穗粒数，但也有研究[29-30]认为，提高水稻的穗粒数和结实率，形成大穗粒结构可以获得高产。本研究表明，龙州、象州和岑溪3个试验点在化肥减量的条件下，采用海藻肥和微生物菌剂替补的施肥方式，对有效穗数和千粒重影响不大，但可以提高水稻穗粒数和结实率。其中，以P2处理表现最好，3个试验点的平均穗粒数、结实率和产量分别比P1处理增加4.36%、8.07%和0.45%。在当前土壤水平下，施肥量依然是制约水稻获得高产的主要因素，施用生物有机肥对水稻增产效应迟缓，需要通过长期施用的表现来进一步判断[31-33]。

水稻收获指数也叫经济系数，是稻谷产量与植株地上部总生物量的比值[34]。它是植株将光合作用产物转运到穗部的能力，在某种程度上反映了作物栽培水平和环境适应程度[35]。Yang等[36]研究认为，杂交水稻的收获指数与产量关系密切，是构成高产的重要因素，但在常规水稻上表现不明显。但也有研究[37]认为，稻谷产量主要取决于干物质积累量，而收获指数对产量的贡献没有干物质积累量高。

3.3 海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥在不同试验点的效果差异

水稻生长受到土壤和气候因素的影响，不同的种植环境由于光温等气候条件差异，影响水稻的干物质积累量和产量等指标[38]。童平等[39]研究指出，适宜的生态环境条件对水稻干物质积累量有积极影响。本研究表明，龙州试验点土壤呈弱碱性，象州和岑溪试验点均为酸性土壤；按照土壤有机质及大量元素养分含量分级标准[40]，3个试验点的土壤有机质均处于三级以上的高水平含量，象州和岑溪试验点土壤全氮达到二级水平，龙州试验点达到一级水平；土壤碱解氮均处于一级水平；象州和岑溪的土壤有效磷含量达到三级水平，但龙州试验点的土壤有效磷含量较低；龙州和象州试验点的土壤速效钾含量处于三级水平，而岑溪的则达到二级水平，速效钾含量很高。在本研究中，海藻肥与微生物菌剂部分替代化肥的条件下，水稻干物质积累量、产量及其构成因素在3个试验点的表现各不相同。象州试验点，P2处理产量达到8457.14kg/hm2，显著高于其他处理，P3和P4处理均低于P1处理；龙州试验点各处理产量则无显著差异；岑溪试验点的产量表现与其他2个试验点也不相同。这种差异可能由土壤肥力、环境气候等因素造成，而土壤肥力是最重要的影响因素。龙州试验点土壤肥力最高，因此替代比例也最高。